Skupina matematického modelování
Matematické modelování regulačních mechanismů polárního toku auxinů u rostlin
Matematické modelování je stále častěji využíváno jako nástroj pro studium transportu auxinů, které jsou odpovědné za řízení řady fyziologických procesů v rostlinách. Současné modely jsou však zjednodušené a nevystihují přesně strukturu reálného systému. Zaměřili jsme se na tvorbu podrobného modelu regulace transportu auxinů rostlinnými buňkami s využitím experimentálních dat k oddělené analýze jednotlivých transportních mechanismů (analyticko-syntetický přístup). Tato data byla získána především pomocí měření kinetiky akumulace radioaktivně značených auxinů v buňkách a stanovení metabolismu radioaktivně značených auxinů pomocí HPLC a poskytla cenné informace o vlastnostech transportu auxinů na buněčné úrovni. Pomocí matematického modelu se nám podařilo prokázat např. vliv metabolismu NAA na výsledky měření i na samotný transport NAA, schopnost přenašeče auxinu z buňky u tabáku transportovat syntetický auxin 2,4-D ven z buněk nebo definovat řadu parametrů klíčových pro transport auxinů (Hošek & Kubeš et al., Journal of Experimental Botany 2012). Z rozboru modelu a výsledků provedených simulací vyplývá, že tento model má velký potenciál pro další vývoj a pro použití ke studiu regulačních mechanismů aktivního transportu auxinů.
Znázornění konstrukce matematického modelu akumulace 2,4-D v buňce (A) Přenos 2,4-D do/z buňky difusí v případě zablokovaného aktivního transportu (B) Přenos 2,4-D do/z buňky difusí a aktivním přenašečem ven z buňky (efflux) v případě zablokovaného aktivního transportu do buňky
Matematické modelování dynamiky metabolických přeměn cytokininů
Přeměny metabolitů cytokininů jsou dynamický proces, s jehož pomocí rostlina reaguje na vnější podmínky i vnitřní podněty s cílem zachování hormonální homeostáze. První dostupný matematický model metabolických přeměn cytokininů (Lexa et al., Annals of Botany 2003) vychází z biosyntetické dráhy trans-zeatinů závislé na isopentenyladenosinmonofosfátu lokalizované v plastidech a pomíjí možnost alternativní přímé dráhy, kdy trans-zeatiny vznikají v cytosolu přímo s pomocí odlišného prekurzoru donoru isopentenylové skupiny pro adenosinfosfát (Astot et al., PNAS 2000). Přestože produkce cytokininů zeatinového typu je zcela závislá na aktivitě monooxygenas CYP735 (Takei et al., The Journal of Biological Chemistry 2004), vykazuje tato dráha v matematickém modelu jen minoritní význam. Původní metabolická síť nezahrnuje ani biosyntetickou dráhu cis-zeatinů. Teprve o 6 let později byly identifikovány geny kódující cytokininfosforibosylhydrolasy odpovědné za produkci cytokininových bazí z fosfátů v jednom kroku (Kuroha et al., The Plant Cell 2009). Během dalších let byly také definovány substrátové specifity celé řady enzymů, které proto v modelu Lexy et al. chybí.
Nově pojatý matematický model cytokininového metabolismu, zahrnující všechny dosud známé enzymové dráhy, má potenciál odhalit možný původ cis-zeatinů nebo dihydrozeatinů, existenci hypotetické cis-trans-isomerasy nebo význam aktivity a možnou regulaci hydroxylas pro produkci zeatinových cytokininů. Cílem je na základě aktualizovaného schématu metabolických přeměn cytokininů sestavit multikompartmentový matematický model dynamiky těchto přeměn, navrhnout sérii experimentálních měření konverze exogenně aplikovaných cytokininů v klíčních rostlinách Arabidopsis thaliana ekotyp Columbia-0 a na základě jejich výsledků spolu se známými výchozími hodnotami (Samsonová et al., rukopis v přípravě) provést optimalizaci parametrů modelu. Kalibrovaný model bude dále analyzován a bude posouzena možnost jeho využití k ověření hypotéz spojených s metabolickými přeměnami cytokininů.
Spolupracujeme s doc. RNDr. Ing. Marcelem Jiřinou, Ph.D. (Fakulta biomedicínského inženýrství, ČVUT).